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CN105927294B - 废气涡轮发电装置 - Google Patents

废气涡轮发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种废气涡轮发电装置，包括涡轮组件、轴承系统和发电机组件，涡轮组件的隔热罩设置在涡轮组件与轴承系统组件之间；所述轴承系统包括转轴、径向轴承、止推轴承，转轴包括一体的第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段一端与涡轮叶轮固定连接，第一轴段通过径向轴承安装在轴承体内；第二轴段的一端通过止推轴承安装在轴承体内；所述发电机转子固定套设在第二轴段上。本发明可以将发动机废气回收利用，转化为电能供发动机或车辆电器元件使用；采用隔热罩、轴承体隔热、冷却水腔设计，使发电机工作环境满足要求；止推轴承与止推片共同发挥轴向力平衡功能；很好的解决了润滑油密封、轴向力平衡等难点问题。

Description

废气涡轮发电装置
技术领域
本发明属于内燃机余热能回收利用技术领域，尤其是涉及一种废气涡轮发电装置。
背景技术
在动力机械中，由于内燃机具有热效率最高、燃料适应性好、能量密度高、单位功率的重量小、成本低、高可靠性等特点，应用十分广泛，全世界保有量已超过十几亿台。国际汽车和内燃机界普遍认为，在可预见的未来，内燃机仍是汽车等动力装置的主要原动机，柴、汽油仍是内燃机的主要燃料。
从目前内燃机的能量平衡来看，动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30％～45％(柴油机)或20％～30％(汽油机)，除了不到10％用于克服摩擦等功率损失之外，其余的余热能量没有得到利用，主要通过冷却回路的散热以及排气被排放到大气中。因此，将内燃机的余热能回收再利用是提高总能效率、降低油耗的一个有效途径。国际汽车和内燃机界认为，相比于油电混合动力、汽车轻量化、减少空气阻力和附件耗能等技术，内燃机余热能利用具有最大的节能潜力。
近年来，国际上发明了多项有关动力涡轮回收废气能量的发动机系统或装置，主要分为直接增加曲轴功、用于发动机制动、转化电能等三类。2005年，德国福伊特涡轮机联合公司马库斯·克莱等人提出了一种涡轮复合系统，该发明提出利用内燃机废气驱动动力涡轮机工作，经液力耦合器后将动力回收给曲轴，并且液力耦合器具有齿轮反向功能用于发动机制动。2006年，美国迪尔公司R·D·斯塔尔哈特与C·T·武克提出了一种用于发动机/发电机系统的电动涡轮复合结构，该发明提出利用废气涡轮增压器的排气驱动二级涡轮，由二级涡轮带动发电机发电，但对具体结构未描述。2007年，德国戴姆勒公司F·埃贝勒与T·劳费尔提出了一种涡轮复合发动机，该发明提出利用发动机排气驱动动力回收涡轮机工作，排气动力回收涡轮机经减速传动装置和液力耦合器后将功率传回曲轴，并在中间加入空转件实现低负荷时断开动力回收涡轮机来改进动力涡轮复合发动机低负荷效率。2008年，德国MAN公司F·沃德克提出了一种带有动力涡轮的涡轮发动机，该发明提出利用发动机多余废气驱动动力涡轮，动力涡轮与电机机械耦合连接，并采用油泵装置控制动力涡轮与电机的连接或断开，电机工作时即可作为发电机又可作为电动机，但对具体结构未描述。
现有涡轮发电机对废气涡轮发电机来说很关键的涡轮特点、轴向力平衡、轴承支撑结构、润滑油密封、涡轮转轴连接、发电机安装、隔热、发电机散热结构等均未涉及。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种废气涡轮发电装置，解决对废气涡轮发电机来说很关键的涡轮特点、轴向力平衡、轴承支撑结构、润滑油密封、涡轮转轴连接、发电机安装、隔热、发电机散热结构等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
废气涡轮发电装置，包括涡轮组件、轴承系统和发电机组件，轴承系统组件在涡轮组件与发电机组件的中间位置；
所述涡轮组件包括涡轮叶轮、涡轮箱和隔热罩，所述涡轮叶轮位于涡轮箱内，所述隔热罩设置在涡轮组件与轴承系统组件之间；
所述轴承系统包括转轴、径向轴承、止推轴承、轴封套、轴承体和连接盘，所述转轴包括一体的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径大于第二轴段的直径，所述第一轴段的一端与涡轮叶轮的轴心之间固定连接，且第一轴段通过两个径向轴承安装在轴承体内；所述第二轴段的一端通过止推轴承安装在轴承体内，另一端延伸到发电机组件内；
所述轴承体的中部一侧设有润滑油进油口，另一侧设有润滑油回油口；所述轴承体的另一端固定连接连接盘，连接盘的中心通孔和第二轴段之间设置所述轴封套；
所述发电机组件包括发电机转子、定子、线圈绕阻、壳体、前端盖和后端盖，所述定子内部设发电机转子，定子上设置线圈绕阻；所述发电机转子固定套设在第二轴段上；所述壳体的两端分别固定安装前端盖和后端盖，所述后端盖与连接盘固定连接。
进一步的，所述轴承体的一端与涡轮叶轮的转轴之间设置起润滑油密封作用的涡轮端密封环。
进一步的，所述径向轴承为浮动轴承或滚珠轴承。
进一步的，所述轴封套的外周中间设有密封槽，所述密封槽内设置有发电机端密封环。
进一步的，所述轴封套内侧的第二轴段上设有与轴封套接触的甩油环，甩油环和止推轴承之间设有折线型的挡油板，所述挡油板的一端固定在连接盘和轴承体的接触面之间，另一端延伸至润滑油回油口处。
进一步的，所述止推轴承和第一轴段与第二轴段之间的端面之间套设止推片。
进一步的，所述发电机转子由永磁性磁钢与钛合金钢套内外组合嵌套形成，发电机转子为悬臂梁结构。
进一步的，所述壳体包括同轴心设置的内壳体和外壳体，所述内壳体与外壳体之间形成发电机冷却水腔。
进一步的，所述轴承体内设有一润滑油通道，润滑油通道一侧连通润滑油进油口，另一侧连通两个径向轴承和止推轴承。
进一步的，所述隔热罩的形状与涡轮箱和涡轮叶轮的接触面匹配。
相对于现有技术，本发具有以下优势：
(1)本发明可以将发动机废气回收利用，转化为电能供发动机或车辆电器元件使用；采用采用膨胀比小于2的低膨胀比涡轮可以把发动机排气背压控制在合理的范围内；采用隔热罩、轴承体隔热、冷却水腔设计，使发电机工作环境满足要求；止推轴承与止推片共同发挥轴向力平衡功能；很好的解决了润滑油密封、轴向力平衡等难点问题；
(2)本发明结构设计合理，结构紧凑，实用性好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述废气涡轮发电装置的剖视图。
附图标记说明：
1-前端盖、2-内壳体、3-外壳体、4-线圈绕阻、5-钛合金钢套、6-定子、7-永磁性磁钢、8-轴套、9-后端盖、10-连接盘、11-轴承体、12-转轴、13-隔热罩、14-涡轮箱、15-涡轮叶轮、16-涡轮端密封环、17-径向轴承、18-止推片、19-止推轴承、20-挡油板、21-甩油环、22-发电机端密封环、23-轴封套、24-轴端螺母。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明废气涡轮发电装置，如图1所示，包括涡轮组件、轴承系统和发电机组件，轴承系统组件在涡轮组件与发电机组件的中间位置；
所述涡轮组件包括涡轮叶轮15、涡轮箱14和隔热罩13，所述涡轮叶轮15位于涡轮箱14内，所述隔热罩13设置在涡轮组件与轴承系统组件之间，且隔热罩13的形状与涡轮箱14和涡轮叶轮15的接触面匹配；本实施例涡轮组件-采用膨胀比小于2的低膨胀比涡轮，可以把发动机排气背压控制在合理的范围内。
所述轴承系统包括转轴12、径向轴承17、止推轴承19、止推片18、甩油环21、挡油板20、轴封套23、发电机端密封环22、涡轮端密封环16、轴承体11、连接盘10，
所述轴承体11与涡轮叶轮15之间采用隔热罩13隔热，所述轴承体11的一端与涡轮叶轮15的转轴之间设置涡轮端密封环16，起到涡轮组件端轴承润滑油密封作用。
所述转轴12包括一体的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径大于第二轴段的直径，所述第一轴段的一端与涡轮叶轮15的轴心之间采用摩擦焊或电子束焊连接，且第一轴段通过两个径向轴承17安装在轴承体11内，所述径向轴承17为浮动轴承或滚珠轴承；
所述第二轴段的一端通过止推轴承19安装在轴承体11内，另一端延伸到发电机组件内；所述止推轴承19和第一轴段与第二轴段之间的端面之间套设止推片18，所述止推轴承19与止推片18共同发挥轴向力平衡功能。
所述轴承体11的中部一侧设有润滑油进油口，另一侧设有润滑油回油口，轴承体11内设有一润滑油通道，润滑油通道一侧连通润滑油进油口，另一侧连通两个径向轴承17和止推轴承19。
所述轴承体11的另一端通过螺栓固定连接连接盘10，连接盘10的中心通孔和第二轴段之间设置所述轴封套23，轴封套23的外周中间设有密封槽，所述密封槽内设置发电机端密封环22；轴封套23内侧的第二轴段上设有与轴封套23接触的甩油环21，甩油环21和止推轴承19之间设有折线型的挡油板20，所述挡油板20的一端固定在连接盘10和轴承体11的接触面之间，另一端延伸至润滑油回油口处；所述发电机端密封环22、轴封套23、甩油环21、挡油板20一起形成发电机端轴承润滑油密封结构。
所述发电机组件包括发电机转子、轴端螺母24、轴套8、定子6、线圈绕阻4、壳体、前端盖1、后端盖9，
所述定子6内部设发电机转子，定子6上设置线圈绕阻4；所述发电机转子固定套设在第二轴段上，一端通过轴套8与轴封套23接触，另一端通过轴端螺母24限位锁紧；所述发电机转子由永磁性磁钢7与钛合金钢套5内外组合嵌套形成，永磁性磁钢7在内，钛合金钢套5在外，发电机转子为悬臂梁结构；
所述壳体的两端分别固定安装前端盖1和后端盖9，所述后端盖9与连接盘10通过螺栓固定连接，前端盖1上设有通孔；发电机组件为超高速发电机，与涡轮组件同轴工作。
所述壳体包括同轴心设置的内壳体2和外壳体3，所述内壳体2与外壳体3之间形成发电机冷却水腔。
所述涡轮箱14上的涡轮进气口与发动机排气管连通，涡轮组件利用发动机排气余热能做功,带动发电机工作，涡轮排气口与大气连通；发电机组件的输出线路与车载蓄电池相连；发电机冷却水腔与发动机冷却水路连通；所述轴承体11上的润滑油进油孔与发动机机油泵相连，润滑油回油孔与发动机油底壳相连。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.废气涡轮发电装置，其特征在于：包括涡轮组件、轴承系统和发电机组件，轴承系统组件在涡轮组件与发电机组件的中间位置；
所述涡轮组件包括涡轮叶轮(15)、涡轮箱(14)和隔热罩(13)，所述涡轮叶轮(15)位于涡轮箱(14)内，所述隔热罩(13)设置在涡轮组件与轴承系统组件之间；
所述轴承系统包括转轴(12)、径向轴承(17)、止推轴承(19)、轴封套(23)、轴承体(11)和连接盘(10)，所述转轴(12)包括一体的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径大于第二轴段的直径，所述第一轴段的一端与涡轮叶轮(15)的轴心之间固定连接，且第一轴段通过两个径向轴承(17)安装在轴承体(11)内；所述第二轴段的一端通过止推轴承(19)安装在轴承体(11)内，另一端延伸到发电机组件内；
所述轴承体(11)的中部一侧设有润滑油进油口，另一侧设有润滑油回油口；所述轴承体(11)的另一端固定连接盘(10)，连接盘(10)的中心通孔和第二轴段之间设置所述轴封套(23)；
所述发电机组件包括发电机转子、定子(6)、线圈绕阻(4)、壳体、前端盖(1)和后端盖(9)，所述定子(6)内部设发电机转子，定子(6)上设置线圈绕阻(4)；所述发电机转子固定套设在第二轴段上；所述壳体的两端分别固定安装前端盖(1)和后端盖(9)，所述后端盖(9)与连接盘(10)固定连接；
所述轴封套(23)内侧的第二轴段上设有与轴封套(23)接触的甩油环(21)，甩油环(21)和止推轴承(19)之间设有折线型的挡油板(20)，所述挡油板(20)的一端固定在连接盘(10)和轴承体(11)的接触面之间，另一端延伸至润滑油回油口处；所述止推轴承(19)和第一轴段与第二轴段之间的端面之间套设止推片(18)。
2.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述轴承体(11)的一端与涡轮叶轮(15)的转轴之间设置起润滑油密封作用的涡轮端密封环(16)。
3.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述径向轴承(17)为浮动轴承或滚珠轴承。
4.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述轴封套(23)的外周中间设有密封槽，所述密封槽内设置有发电机端密封环(22)。
5.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述发电机转子由永磁性磁钢(7)与钛合金钢套(5)内外组合嵌套形成，永磁性磁钢(7)在内，钛合金钢套(5)在外，发电机转子为悬臂梁结构。
6.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述壳体包括同轴心设置的内壳体(2)和外壳体(3)，所述内壳体(2)与外壳体(3)之间形成发电机冷却水腔。
7.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述轴承体(11)内设有一润滑油通道，润滑油通道一侧连通润滑油进油口，另一侧连通两个径向轴承(17)和止推轴承(19)。
8.根据权利要求1所述的废气涡轮发电装置，其特征在于：所述隔热罩(13)的形状与涡轮箱(14)和涡轮叶轮(15)的接触面匹配。
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